二维6H-SiC光学特性的应变调控

为了减小6H-SiC的带隙、提高对可见光的吸收效率和载流子迁移速率,采用第一性原理研究了应变对6H-SiC的能带结构、光学吸收系数、载流子迁移率以及光催化特性的影响.结果表明:应变能够降低6H-SiC的导带底,但对价带顶没有影响,导致带隙减小.随着应变的增加,吸收曲线向低能级方向移动,即发生红移,有利于可见光的吸收.施加应变后空穴的载流子迁移率提高,有利于载流子移动,且空穴的载流子迁移率是电子的2.5倍,有利于空穴和电子的分离.综合应变对带隙大小、带边位置的影响可知,应变在±2%、±4%时对可见光的吸收以及光催化制氢最有效.综上所述,应变能够对6H-SiC的光学吸收和光催化特性有很好的调控作用.

6H-SiC高速纳米磨削的去除行为及亚表面损伤机制的分子动力学仿真研究

6H-SiC在光电子等领域应用广泛,作为典型的硬脆性材料,其材料去除行为及亚表面损伤机制目前尚不清晰,高效地获得光滑、平坦、低损伤的表面仍十分困难。采用分子动力学模拟的方法研究磨削速度对6H-SiC去除行为及亚表面损伤的影响。结果表明:磨削时原子层有两条去除路径,即向左上方形成切屑,向右下方形成加工表面。在磨削深度为1 nm、磨削速度为100 m/s的条件下,工件通过相变、堆垛层错、晶格畸变和原子空位产生塑性变形,从而导致工件材料的去除。随着磨削速度增加,磨粒所受的平均切向磨削力和摩擦因数都减小。相比100 m/s,磨削速度为200、400 m/s时,平均切向磨削力分别减少了52.3%和55%,摩擦因数分别减少了7.4%和11.9%。增大磨削速度可以减小工件亚表层的损伤深度,提高工件表面材料的去除率,改善工件表面的加工质量。

Co掺杂6H-SiC的第一性原理研究

此文用第一性原理密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)的平面波赝势法(PBE),计算了未掺杂及Co替位Si掺杂的6H-SiC体系的电子结构与光学特性,获得了Co掺杂将导致6H-SiC由带隙为2.016 eV的间接带隙半导体变成带隙为0.071 eV的p型半导体,且有磁性;掺杂后能带结构中出现由Co的3d能级造成的杂质能级;且载流子浓度提升,使得材料的导电性得到提高;替换掺杂使得6H-SiC在光学性质方面有所变化,介电函数实部和虚部在低能级处增大,吸收光谱从未掺杂的3.2 eV开始吸收变为略高于0 eV就开始;反射谱与电导率曲线发生红移等有益结果.

退火时间对6H-SiC(0001)表面外延石墨烯形貌和结构的影响

在分子束外延(MBE)设备中,采用高温退火的方法在6H-SiC(0001)表面外延石墨烯,并研究了退火时间对外延石墨烯形貌和结构的影响.利用反射式高能电子衍射(RHEED)、原子力显微镜(AFM)、激光拉曼光谱(Raman)和近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)等实验技术对制备的样品进行了表征.RHEED结果发现,不同退火时间的样品在SiC衍射条纹的外侧都出现了石墨烯的衍射条纹.AFM测试表明,外延石墨烯的厚度随退火时间增加而增大,且样品孔洞减少、表面更加平整.Raman测试表明,外延石墨烯拉曼谱中2D峰和G峰的位置相对高定向热解石墨(HOPG)中2D峰和G峰的位置蓝移,且退火时间增加,峰的蓝移量减小.对样品中碳原子K边NEXAFS谱测量显示,样品中存在sp2杂化的碳原子,退火时间增加使碳原子的1s→π以及1s→σ吸收的强度增大,且1s电子到π态的吸收峰相对HOPG的向高能偏移.

大直径6H-SiC单晶的生长

SiC是一种重要的半导体材料,它具有优良的热学、力学、化学和电学性质,不但可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料,同时又是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一.上世纪90年代以来,各国竞相投入大量的人力、物力进行SiC单晶的研究和产业化工作,我国在国家重大计划中进行了SiC单晶的生长研究,也取得一定成绩,但是至今可重复的大直径单晶生长一直没有得到解决.本文报道了在SiC单晶生长方面取得的最新进展.

6H-SiC衬底片的表面处理(英文)

相比于蓝宝石,6H-SiC是制作GaN高功率器件更有前途的衬底。本文研究了表面处理如研磨、化学机械抛光对6H-SiC衬底表面特性的影响。用显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、卢瑟福背散射谱表征了衬底表面。结果表明经过两步化学机械抛光后提高了表面质量。经第二步化学机械抛光后的衬底具有优异的表面形貌、高透射率和极小的损伤层,其表面粗糙度RMS是0.12nm。在该衬底上用MOCVD方法长出了高质量的GaN外延膜。

大尺寸6H-SiC半导体单晶材料的生长

报道了生长SiC单晶的PVT法生长工艺,研究了晶体生长温度、温度梯度、生长室压力、杂质等因素对晶体生长和晶体质量的影响,确定出合理的工艺条件,生长出φ45mmSiC单晶.X射线衍射表明,生长的单晶为6H多型结构,通过腐蚀法得到晶体中微管道密度约为103cm-2,位错密度约为104～105cm-2.测试了SiC单晶的半导体特性,结果表明:晶体为n型,电阻率约300Ω·cm,迁移率90cm2V-1S-1,载流子浓度在1014cm-3量级.

6H-SiC成核表面形貌与缺陷产生的研究

利用光学显微镜观察了6H-SiC晶体成核表面形貌,并使用高分辨X射线衍射法检测了不同区域的结晶质量。根据表面形貌的不同将成核表面分为三个区域:平台区、斜坡区、凹坑区。平台区的结晶质量最好,斜坡区和凹坑区由于缺陷(例如微管、小角晶界和多型夹杂等)的存在导致结晶质量变差。依据温场分布以及籽晶的固定分析了凹坑产生的可能原因。根据观察纵切片发现源于斜坡区以及凹坑区的缺陷随着晶体的生长继承到晶体内部导致后期生长的晶体质量变差。最后我们提出了通过优化成核温场分布以及改善籽晶固定方法来提高晶体成核质量的思路。

高剂量中子辐照6H-SiC晶体的退火特性

在温度为60～80℃的条件下用剂量为1.72×1019 n/cm2的中子对6H-SiC晶体进行了辐照,利用X射线衍射等方法观测了中子辐照引起的缺陷及其恢复。重点追踪6H-SiC的(006)、(0012)晶面的衍射峰并进行实验观测。中子辐照对晶体造成了严重的损伤,使其内部产生了大量的缺陷,在某些被测晶面甚至出现非晶化。通过等时退火,缺陷逐渐消失,晶格开始恢复,其恢复特性由退火温度决定。通过X射线衍射峰的峰高和峰型发现,在温度低于600℃时,辐照损伤几乎不变,超过600℃后,温度越高,晶格恢复现象越明显。原来经辐照呈非晶化的晶面逐渐恢复有序,(006)面衍射峰的半高宽随退火温度的升高呈线性恢复。利用此种线性规律可以制作无线传感器,从而实现对某些复杂环境的温场测试。

Ti掺杂6H-SiC电学性质研究

使用物理气相传输方法（PVT）制备了2英寸Ti掺杂与非故意掺杂6H-SiC衬底,并对衬底进行热处理。使用拉曼光谱仪、低温光致发光谱（LTPL）和非接触电阻率测试对衬底晶型、掺杂元素和电阻率进行了表征。结果表明,Ti元素有效掺入6H-SiC中,Ti掺杂对PVT方法生长的6H-SiC衬底晶型稳定性无影响,Ti掺杂衬底与非故意掺杂衬底均为6H-SiC,热处理后Ti掺杂衬底电阻率达到1010~1011Ω·cm。初步认为Ti掺杂衬底热处理过程中产生的大浓度碳空位VC是引起Ti掺杂样品电阻率上升的主要原因。

6H-SiC单晶中的微管和小角度晶界

利用透射偏光显微术、同步辐射X射线形貌术、高分辨X射线衍射方法对 6H SiC(0 0 0 1)晶片中的微管和小角度晶界等缺陷进行了研究。实验发现 ,在透射偏光显微镜下 ,微管通常呈现为蝴蝶形 ,这是由于微管周围存在着应力场 ,且应力分布不均匀 ,当线偏振光在通过微管周围区域时传播速度不同造成的。从X射线背反射同步辐射形貌像得到晶片中微管的Burgers矢量大小在 2c到 10c之间。从晶片 0 0 0 12衍射的双晶衍射摇摆曲线可以看出 ,晶片的中间大部分区域质量很好 ,双晶衍射峰为单峰且半峰宽很窄 ,一般为 35″左右。在外围区域双晶衍射峰的半峰宽变宽 ,有些区域还会出现衍射峰的分裂 ,这说明外围区域有嵌镶块结构存在。

6H-Sic MOS结构电特性及其辐照效应的研究

对SiC MOS结构辐照引起的电参数退化及其电特性进行了研究。结果说明:在氧化层电场较高时Fowler-Nordheim隧穿电流决定着SiC MOS结构的漏电流,当幅照栅偏压为高的正电压时,电离幅照对SiC MOS电容的影响会更明显,SiC MOS器件比Si器件具有好的抗γ辐照的能力,在58kGy(Si)的辐照剂量下,其平带电压漂移不超过2V。

6H-SiC高场输运特性的多粒子蒙特卡罗研究

采用非抛物性能带模型 ,对 6H SiC高场电子输运特性进行了多粒子蒙特卡罗 (EnsembleMonteCarlo)研究 研究表明 :温度为 2 96K时 ,电子横向漂移速度在电场为 2 .0×1 0 4V/cm处偏离线性区 ,5.0×1 0 5V/cm处达到饱和 由EMC方法得到的电子横向饱和漂移速度为 1 .95×1 0 7cm/s,纵向为6.0×1 0 6cm/s,各向异性较为显著 当电场小于 1 .0×1 0 6V/cm时 ,碰撞电离效应对高场电子漂移速度影响较小 另一方面 ,高场下电子平均能量的各向异性非常明显 电场大于 2 .0× 1 0 5V/cm时 ,极化光学声子散射对电子横向能量驰豫时间影响较大 当电场一定时 ,c轴方向的电子碰撞电离率随着温度的上升而增大 对非稳态高场输运特性的分析表明 :阶跃电场强度为 1 .0×1 0 6V/cm时 ,电子横向瞬态速度峰值接近 3.0×1 0 7cm/s。

Si(111)衬底上6H-SiC薄膜的低压化学气相外延生长与表征

在Si(111)衬底上,采用SiH4-C3H8-H2气体反应体系,通过低压化学气相沉积(LPCVD)工艺外延出结晶质量良好的SiC薄膜。低温光致发光谱表明该薄膜属于6H-SiC多型体。X射线衍射图表明该薄膜具有高度的择优取向性。扫描电子显微镜图表明该薄膜由片状SiC晶粒组成。拉曼光谱和透射电子衍射谱的结果进一步表明该薄膜具有较高的结晶质量。对Si(111)衬底上6H-SiC薄膜的生长机制进行了初步探讨。

6H-SiC材料的氧化特性

研究了 10 0 0～ 12 0 0℃温度下干氧和湿氧中 6H SiC材料的氧化特性 ,讨论了氧化层厚度与温度、时间、气氛的关系 .实验结果表明 ,在相同的生长条件下 ,6H SiC材料的氧化层厚度远小于Si的氧化层厚度 ,且遵循相同的生长规律 .

退火温度对6H-SiC衬底上ZnO薄膜发光性质的影响

采用溶胶-凝胶方法,在6H-SiC衬底上制备ZnO薄膜。X射线衍射结果表明薄膜是c轴取向的,具有六方纤锌矿多晶结构。研究了退火温度对ZnO薄膜发光特性的影响。发现在650℃退火温度下,观察到近带边紫外发射和可见光发射并且紫外发光强度大于可见光发射。随着退火温度的提高,紫外峰强度减弱直至消失,而绿光发射强度先增加而后降低。对退火温度引起ZnO薄膜发光性质改变的机制进行了探讨。

6H-SiC单晶紫外光催化抛光中光照方式和磨料的影响

研究紫外光辅助催化抛光6H-SiC单晶。用分光光度法定性检测不同光催化反应时间下甲基橙颜色变化和羟基自由基(·OH)浓度,研究无光照、光照抛光盘、光照抛光液3种光照方式及金刚石、碳化硅、二氧化硅、二氧化钛、硅溶胶5种磨料对6H-SiC单晶抛光的影响。结果表明:随着光照时间增加,·OH浓度增加;在3种光照方式下,不同磨料的材料去除率(MRR)均呈现光照抛光液>光照抛光盘>无光照的规律,且光照抛光液时的MRR比无光照时的MRR提升了18%~58%。随磨料硬度降低,光催化辅助作用对MRR的提高幅度升高,即紫外光催化辅助作用越明显;金刚石、碳化硅、二氧化硅、硅溶胶4种磨料抛光后的表面粗糙度都随MRR的增大而减小,但二氧化钛磨料的则相反,原因是二氧化钛磨料同时兼作光催化剂,增强了SiC表面的化学反应速率,使其化学反应速率大于机械去除速率。

6H-SiC单晶锭边缘的多晶环控制

6H-SiC晶体生长过程中单晶锭边缘形成的多晶环影响单晶体的品质。本研究制定了以改进坩埚系统结构为主、调整线圈与坩埚相对位置为辅的多晶环厚度控制方案,利用自制设备进行了6H-SiC晶体生长验证实验,实验结果显示所生长6H-SiC单晶体不但周边和表面光滑,未有多晶出现,还实现了显著的扩径生长。

C面蓝宝石衬底上6H-SiC薄膜的低压化学气相外延生长与表征

采用低压化学气相沉积方法在C面蓝宝石衬底上异质外延生长出高结晶质量和良好表面形貌的6H-SiC薄膜,研究了C_3H_8气体流速对薄膜结晶质量的影响.随着C_3H_8气体流速的降低,薄膜的结晶质量先增加后降低,表明薄膜的生长在开始阶段受表面反应控制,而后受质量输运控制.所得到的结晶质量最好的6H-SiC薄膜,其摇摆曲线半高宽为0.6°,已经达到单晶水平.没有使用AlN过渡层,制备出结晶质量更好的SiC薄膜,表明对于蓝宝石衬底上SiC薄膜的生长,起决定性因素的是温度,过渡层不是影响SiC薄膜结晶质量的主要因素.

6H-SiC氧化层中Na离子的C-V测试研究

半导体热氧化过程中,不可避免会沾污Na离子,造成MOS电容的C-V曲线平带电压漂移。在1 200℃下热氧化,生成SiC/SiO2界面,进而制作MOS电容。采用高电压偏置,在高温度条件下作用于MOS电容;利用Keithley590C-V分析仪,测量其C-V曲线。计算出氧化层Na离子密度为2.26×1012/cm2,高温负高压偏置不能完全恢复MOS电容的C-V特性,且高压偏置处理后的MOS电容在积累区的电容值减小,与Si材料MOS的情况不同。主要原因是SiC氧化层和界面质量较差,在高温和高压下弱键断裂、固定电荷重新分布。